CN113884570A - 一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置及监测方法，基于全新结构设计的装置进行应用，无需手动检测，适用于混凝土“建管养”全寿命周期检测，可以在混凝土结构核心构件表面永久部署，并且设备的激活/眠状态可通过终端以指令无线远程控制，数据可自动采集并远程传输，实时反馈回终端；不仅如此，其中以滑轨作为动力组件，使用PZT超声波传感器组成线性阵列，进行基于合成孔径聚焦技术原理的超声波信号采集和损伤成像，可以在最大限度不影响混凝土结构核心构件整体性的前提下，探测结构内孔洞与损伤，检测混凝土材料的材质、硬度、钢筋位置等特性；整体装置结构体积小、成本低、结构简单、操作简易，测量方法易于实施。

Description

一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置及监测方法

技术领域

本发明涉及一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置及监测方法，属于土木工程混凝土构件结构健康监测技术领域。

背景技术

近年来，伴随着我国国民经济快速发展、城市化进程加快和城市扩张，大批混凝土结构建成并投入使用。受混凝土早龄期收缩变形或施工质量管理等因素影响，混凝土柱等构件在浇筑与成型过程中不可避免形成初始缺陷。初始缺陷在极限荷载与恶劣环境作用下易萌生并累积损伤，引起性能劣化、承载力下降，带来极端情况下失效的潜在风险。因此对重点结构混凝土梁柱构件开展实时监测并成像，可以及时发现和定位混凝土损伤，智能评估损伤程度，预警混凝土构件失效的潜在风险，进而指导混凝土结构“建——管”全寿命周期管理，对保护人民生命财产安全有着积极而重要的意义。

混凝土材料具有造价低廉、施工方便、变形小等特点，混凝土结构是目前使用最广的建筑结构形式，梁柱构件是混凝土结构健康监测的重点。目前常用的手持式和有线式混凝土构件监测方式均存在一定的问题。手持式监测难以定期大范围的扫查，以随机取点为主；有线监测，存在线缆铺设成本高昂、布线工作量大、特殊部位布线不便、维护消耗较多的人力物力、数据传输易受施工影响等问题；其次，日常监测以获得参数为主，直观性较差，且目前工程中监测的数据客观存在较大幅度的波动，导致难以选择合理的监测数据阈值作为可靠的预警指标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置，采用全新结构设计，具备结构体积简单、成本低、操作简易，测量方法易于实施的优点，能够高效实现混凝土构件可视化探伤操作。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置，用于在混凝土构件表面滑动进行内部可视化探伤操作，包括第一电源、核心控制模块、以及至少一个滑轨式超声波阵列传感器组；其中，核心控制模块包括MCU芯片；

各滑轨式超声波阵列传感器组的结构彼此相同，各滑轨式超声波阵列传感器组分别均包括动力滑杆、步进电机、动力传输件、第二充电电池模块、悬挂式超声波传感器阵列组、超声波阵列信号激励与接收模块、移动盒、两个滑杆固定座、以及至少一根固定滑杆，各滑轨式超声波阵列传感器组的结构中：动力滑杆的长度、各根固定滑杆的长度彼此相等，动力滑杆与各根固定滑杆彼此相互平行的置于两个滑杆固定座之间，且动力滑杆的两端、以及各根固定滑杆的两端分别与其所面向滑杆固定座的表面相连接，移动盒上其中一组彼此相对面上、设置贯穿该组相对面两侧的各个通孔，动力滑杆数量和固定滑杆数量的和与该通孔的数量相等，且移动盒上该各个通孔之间的相对位置与动力滑杆、各根固定滑杆之间的相对位置相同，移动盒上各通孔分别一一位置对应的套设于动力滑杆和各根固定滑杆上，且移动盒上各通孔的内径分别与其所套设杆的外径相适应，以及移动盒沿动力滑杆、各根固定滑杆进行滑动，第二充电电池模块分别与步进电机、超声波阵列信号激励与接收模块相连进行供电，悬挂式超声波传感器阵列组上包含至少三个空气耦合超声波传感器，悬挂式超声波传感器阵列组经支架与移动盒相连接，悬挂式超声波传感器阵列组随移动盒的滑动而移动，第二充电电池模块、超声波阵列信号激励与接收模块设置于移动盒中，且超声波阵列信号激励与接收模块与各空气耦合超声波传感器相连进行通信，动力传输件置于移动盒中，且动力传输件与动力滑杆上对应移动盒中的部分相接触，步进电机与动力传输件相连对其进行驱动，进而驱动移动盒沿各根固定滑杆进行滑动；

第一电源的对外供电端分别与MCU芯片、以及各滑轨式超声波阵列传感器组中的第二充电电池模块相连进行供电，MCU芯片分别与各滑轨式超声波阵列传感器组中的步进电机、超声波阵列信号激励与接收模块相连，由MCU芯片分别对各步进电机进行控制，实现对各滑轨式超声波阵列传感器组中悬挂式超声波传感器阵列组沿对应固定滑杆滑动的分别控制，且悬挂式超声波传感器阵列组上各空气耦合超声波传感器的工作端与混凝土构件表面之间的间距小于预设最大空气层厚度要求，以及悬挂式超声波传感器阵列组的移动区域覆盖混凝土构件表面；各滑轨式超声波阵列传感器组中各空气耦合超声波传感器在MCU芯片经对应超声波阵列信号激励与接收模块的控制下进行工作，并由MCU芯片经各超声波阵列信号激励与接收模块接收来自对应各空气耦合超声波传感器的检测数据。

作为本发明的一种优选技术方案：所述动力滑杆的两端分别与其所连滑杆固定座相固定，动力滑杆侧面一周设置外螺纹，所述动力传输件为两端敞开、且相互贯通的筒体件，筒体件的内径与动力滑杆的外径相适应，筒体件内壁一周设置与动力滑杆侧面外螺纹相匹配的内螺纹，筒体件外壁一周设置外齿纹，步进电机与筒体件设置于移动盒中，筒体件活动套设于动力滑杆上对应移动盒中的部分，且筒体件内壁一周内螺纹与动力滑杆侧面一周外螺纹相咬合，步进电机的转动端经齿轮与筒体件外周上的外齿纹相接触，且该齿轮外周上的齿纹与筒体件外周上的外齿纹彼此匹配咬合，步进电机与移动盒相固定，且步进电机、筒体件、以及移动盒三者彼此位置相对固定，基于步进电机工作对其所连齿轮的驱动转动，通过筒体件相对动力滑杆的转动，带动驱动移动盒沿各根固定滑杆进行滑动。

作为本发明的一种优选技术方案：所述动力滑杆的两端分别与其所连滑杆固定座相固定，动力滑杆侧面其中一方向上延其所在直线方向布设齿纹，所述步进电机固定设置于移动盒中，步进电机上的转动端连接齿轮，且该齿轮外周上的齿纹与动力滑杆侧面上的齿纹相匹配，该齿轮外周上的齿纹与动力滑杆上对应移动盒中部分上的齿纹相咬合，基于步进电机工作对其所连齿轮的驱动转动，通过齿轮上齿纹与动力滑杆上齿纹的咬合，带动驱动移动盒沿各根固定滑杆进行滑动。

作为本发明的一种优选技术方案：所述动力滑杆的两端分别与其所连滑杆固定座相活动连接，动力滑杆侧面一周设置外螺纹，所述动力传输件为两端敞开、且相互贯通的筒体件，筒体件的内径与动力滑杆的外径相适应，筒体件内壁一周设置与动力滑杆侧面外螺纹相匹配的内螺纹，筒体件固定设置于移动盒中，且筒体件套设于动力滑杆上对应移动盒中的部分，以及筒体件内壁一周内螺纹与动力滑杆侧面一周外螺纹相咬合，步进电机设置于其中一滑杆固定座上，且步进电机的转动端固定连接动力滑杆上对应该滑杆固定座的端部，基于动力滑杆在步进电机的驱动转动，通过筒体件内螺纹与动力滑杆外螺纹之间的相互咬合，带动驱动移动盒沿各根固定滑杆进行滑动。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各滑轨式超声波阵列传感器组中的超声波阵列信号激励与接收模块分别均包括激励信号生成与放大模块、多路通断控制模块、接收信号采集与调制模块，各超声波阵列信号激励与接收模块结构中，第二充电电池模块分别为激励信号生成与放大模块、多路通断控制模块、接收信号采集与调制模块进行供电，多路通断控制模块分别与激励信号生成与放大模块、接收信号采集与调制模块相连接，同时多路通断控制模块与对应各空气耦合超声波传感器相连进行通信；MCU芯片分别与各滑轨式超声波阵列传感器组中的激励信号生成与放大模块、接收信号采集与调制模块相连。

作为本发明的一种优选技术方案：所述各滑轨式超声波阵列传感器组中超声波阵列信号激励与接收模块分别均还包括缓存模块，各超声波阵列信号激励与接收模块结构中，接收信号采集与调制模块经对应缓存模块与MCU芯片相连通信；

MCU芯片分别与各滑轨式超声波阵列传感器组中激励信号生成与放大模块、缓存模块之间的相连，以及所述第一电源上对外供电端分别各滑轨式超声波阵列传感器组中第二充电电池模块之间相连，均采用触点方式相连，各超声波阵列信号激励与接收模块结构中，移动盒上面向其中一滑杆固定座的表面上设置三个触点，且移动盒上三个触点中的两个触点作为正负电源触点，分别对接第二充电电池模块的正负极，且负极作为地线共用，其余一个触点与对接第二充电电池模块负极的触点共同构成信号触点，由信号触点分别对接激励信号生成与放大模块、缓存模块，移动盒上触点所面向滑杆固定座的表面上设置位置相对应的三个触点，滑杆固定座上三个触点中的两个触点作为正负电源触点，分别对接第一电源的对外供电端的正负极，且负极作为地线共用，其余一个触点与对接第一电源负极的触点共同构成信号触点，由信号触点分别对接MCU芯片输出端、输入端，并且移动盒上正负电源触点的位置与滑杆固定座上正负电源触点的位置彼此对应，以及移动盒上其余触点的位置与与滑杆固定座上其余触点的位置相对应基于移动盒沿对应固定滑杆的滑动，实现移动盒上各触点分别与对应滑杆固定座上各位置相对应触点之间的接触。

作为本发明的一种优选技术方案：所述第一电源包括相互串联的光伏发电板与第一充电电池模块，第一充电电池模块的输出端构成第一电源的对外供电端。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括终端、以及与终端相连的第一无线通讯模块，所述核心控制模块还包括与所述MCU芯片相连通信的第二无线通讯模块，基于第一无线通讯模块与第二无线通讯模块之间的通讯连接，实现终端与MCU芯片之间的通信连接。

与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置的监测方法，能够高效实现混凝土构件可视化探伤操作。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置的监测方法，按如下操作，实现滑轨式超声波阵列传感器组对混凝土构件表面进行探伤操作；

首先基于MCU芯片与滑轨式超声波阵列传感器组中激励信号生成与放大模块、接收信号采集与调制模块的连接，由MCU芯片将激励信号幅值、波形、频率、放大倍数、带通滤波频率发送至激励信号生成与放大模块中，以及将接收信号采样频率发送至接收信号采集与调制模块中；

然后基于MCU芯片对滑轨式超声波阵列传感器组中步进电机的控制，实现其中移动盒在对应固定滑杆上由一端滑杆固定座位置移向另一滑杆固定座位置，且该移动区域覆盖混凝土构件表面，同时控制移动盒在此移动过程中的预设各位置分别停留预设时长，并且在该各位置的停留时长内，分别执行如下操作：

由多路通断控制模块控制对应悬挂式超声波传感器阵列组中一个空气耦合超声波传感器在激励信号生成与放大模块的控制下，对混凝土构件表面产生超声波，并由多路通断控制模块控制该悬挂式超声波传感器阵列组中其余各空气耦合超声波传感器接收超声波回波信号，并由接收信号采集与调制模块对所接收超声波回波信号分别进行调制，如此执行各空气耦合超声波传感器分别对混凝土构件表面产生超声波，并由其余各空气耦合超声波传感器接收超声波回波信号，当所有空气耦合超声波传感器分别完成一次超声波激励后，该位置超声波探伤操作完成；

上述移动盒的移动过程中，基于MCU芯片与滑轨式超声波阵列传感器组中接收信号采集与调制模块的连接，实现各空气耦合超声波传感器在其各停留位置工作时所接收超声波回波信号向MCU芯片的上传。

作为本发明的一种优选技术方案：所述MCU芯片针对所接收来自各空气耦合超声波传感器在各位置下的超声波回波信号，上传至终端，由终端分别针对移动盒对应混凝土构件表面所停留的各位置，根据不同空气耦合超声波传感器在位置处激励时分别采集的超声波回波信号波形，依据合成孔径聚焦原理，形成该位置可以表征损伤大小与位置的断面超声波回波二维图像。

本发明所述一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置及监测方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明所设计一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置及监测方法，基于全新结构设计的装置进行应用，克服了传统手持式监测装置需要人工操控，不能现场永久布置缺点，以及有线监测设备布设受环境影响较大、线缆铺设与维护成本高昂、布线工作量大、特殊部位布线不便和现场取电困难等问题，相应本发明设计应用中，无需手动检测，适用于混凝土“建管养”全寿命周期检测，可以在混凝土结构核心构件表面永久部署，并且设备的激活/眠状态可通过终端以指令无线远程控制，数据可自动采集并远程传输，实时反馈回终端；不仅如此，其中以滑轨作为动力组件，使用PZT超声波传感器组成线性阵列，进行基于合成孔径聚焦技术原理的超声波信号采集和损伤成像，可以在最大限度不影响混凝土结构核心构件整体性的前提下，探测结构内孔洞与损伤，检测混凝土材料的材质、硬度、钢筋位置等特性；整体装置结构体积小、成本低、结构简单、操作简易，测量方法易于实施。

附图说明

图1为本发明滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置进行混凝土梁无损检测示意图；

图2为本发明设计中滑轨式超声波阵列传感器组的结构示意图；

图3为本发明滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感系统的架构示意图。

其中，1. 终端，2. 第一无线通讯模块，3. 光伏发电板，4. 第一充电电池模块，5.核心控制模块，6. 滑轨式超声波阵列传感器组，51. 第二无线通讯模块，52. MCU芯片，61.滑杆固定座，62. 固定滑杆，63. 动力滑杆，64. 步进电机，65. 第二充电电池模块，67. 悬挂式超声波传感器阵列组，68. 超声波阵列信号激励与接收模块，681. 激励信号生成与放大模块，682. 多路通断控制模块，683. 接收信号采集与调制模块，684. 缓存模块，69. 移动盒，7. 混凝土构件。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置，用于在混凝土构件7表面滑动进行内部可视化探伤操作，实际应用当中，如图3所示，包括第一电源、核心控制模块5、以及至少一个滑轨式超声波阵列传感器组6；其中，核心控制模块5包括MCU芯片52。

各滑轨式超声波阵列传感器组6的结构彼此相同，如图2所示，各滑轨式超声波阵列传感器组6分别均包括动力滑杆63、步进电机64、动力传输件、第二充电电池模块65、悬挂式超声波传感器阵列组67、超声波阵列信号激励与接收模块68、移动盒69、两个滑杆固定座61、以及至少一根固定滑杆62，各滑轨式超声波阵列传感器组6的结构中：动力滑杆63的长度、各根固定滑杆62的长度彼此相等，动力滑杆63与各根固定滑杆62彼此相互平行的置于两个滑杆固定座61之间，且动力滑杆63的两端、以及各根固定滑杆62的两端分别与其所面向滑杆固定座61的表面相连接，移动盒69上其中一组彼此相对面上、设置贯穿该组相对面两侧的各个通孔，动力滑杆63数量和固定滑杆62数量的和与该通孔的数量相等，且移动盒69上该各个通孔之间的相对位置与动力滑杆63、各根固定滑杆62之间的相对位置相同，移动盒69上各通孔分别一一位置对应的套设于动力滑杆63和各根固定滑杆62上，且移动盒69上各通孔的内径分别与其所套设杆的外径相适应，以及移动盒69沿动力滑杆63、各根固定滑杆62进行滑动，第二充电电池模块65分别与步进电机64、超声波阵列信号激励与接收模块68相连进行供电，悬挂式超声波传感器阵列组67上包含至少三个空气耦合超声波传感器，悬挂式超声波传感器阵列组67经支架与移动盒69相连接，悬挂式超声波传感器阵列组67随移动盒69的滑动而移动，第二充电电池模块65、超声波阵列信号激励与接收模块68设置于移动盒69中，且超声波阵列信号激励与接收模块68与各空气耦合超声波传感器相连进行通信，动力传输件置于移动盒69中，且动力传输件与动力滑杆63上对应移动盒69中的部分相接触，步进电机64与动力传输件相连对其进行驱动，进而驱动移动盒69沿各根固定滑杆62进行滑动。

如图3所示，第一电源的对外供电端分别与MCU芯片52、以及各滑轨式超声波阵列传感器组6中的第二充电电池模块65相连进行供电，MCU芯片52分别与各滑轨式超声波阵列传感器组6中的步进电机64、超声波阵列信号激励与接收模块68相连，由MCU芯片52分别对各步进电机64进行控制，实现对各滑轨式超声波阵列传感器组6中悬挂式超声波传感器阵列组67沿对应固定滑杆62滑动的分别控制，且悬挂式超声波传感器阵列组67上各空气耦合超声波传感器的工作端与混凝土构件7表面之间的间距小于预设最大空气层厚度要求，以及悬挂式超声波传感器阵列组67的移动区域覆盖混凝土构件7表面；各滑轨式超声波阵列传感器组6中各空气耦合超声波传感器在MCU芯片52经对应超声波阵列信号激励与接收模块68的控制下进行工作，并由MCU芯片52经各超声波阵列信号激励与接收模块68接收来自对应各空气耦合超声波传感器的检测数据。

对于滑轨式超声波阵列传感器组6来说，实际应用当中，具体设计了三种结构应用，第一种，所述动力滑杆63的两端分别与其所连滑杆固定座61相固定，动力滑杆63侧面一周设置外螺纹，所述动力传输件为两端敞开、且相互贯通的筒体件，筒体件的内径与动力滑杆63的外径相适应，筒体件内壁一周设置与动力滑杆63侧面外螺纹相匹配的内螺纹，筒体件外壁一周设置外齿纹，步进电机64与筒体件设置于移动盒69中，筒体件活动套设于动力滑杆63上对应移动盒69中的部分，且筒体件内壁一周内螺纹与动力滑杆63侧面一周外螺纹相咬合，步进电机64的转动端经齿轮与筒体件外周上的外齿纹相接触，且该齿轮外周上的齿纹与筒体件外周上的外齿纹彼此匹配咬合，步进电机64与移动盒69相固定，且步进电机64、筒体件、以及移动盒69三者彼此位置相对固定，基于步进电机64工作对其所连齿轮的驱动转动，通过筒体件相对动力滑杆63的转动，带动驱动移动盒69沿各根固定滑杆62进行滑动。

第二种，所述动力滑杆63的两端分别与其所连滑杆固定座61相固定，动力滑杆63侧面其中一方向上延其所在直线方向布设齿纹，所述步进电机64固定设置于移动盒69中，步进电机64上的转动端连接齿轮，且该齿轮外周上的齿纹与动力滑杆63侧面上的齿纹相匹配，该齿轮外周上的齿纹与动力滑杆63上对应移动盒69中部分上的齿纹相咬合，基于步进电机64工作对其所连齿轮的驱动转动，通过齿轮上齿纹与动力滑杆63上齿纹的咬合，带动驱动移动盒69沿各根固定滑杆62进行滑动。

第三种，所述动力滑杆63的两端分别与其所连滑杆固定座61相活动连接，动力滑杆63侧面一周设置外螺纹，所述动力传输件为两端敞开、且相互贯通的筒体件，筒体件的内径与动力滑杆63的外径相适应，筒体件内壁一周设置与动力滑杆63侧面外螺纹相匹配的内螺纹，筒体件固定设置于移动盒69中，且筒体件套设于动力滑杆63上对应移动盒69中的部分，以及筒体件内壁一周内螺纹与动力滑杆63侧面一周外螺纹相咬合，步进电机64设置于其中一滑杆固定座61上，且步进电机64的转动端固定连接动力滑杆63上对应该滑杆固定座61的端部，基于动力滑杆63在步进电机64的驱动转动，通过筒体件内螺纹与动力滑杆63外螺纹之间的相互咬合，带动驱动移动盒69沿各根固定滑杆62进行滑动。

对于各滑轨式超声波阵列传感器组6中的超声波阵列信号激励与接收模块68来说，实际应用当中，如图3所示，设计各超声波阵列信号激励与接收模块68分别均包括激励信号生成与放大模块681、多路通断控制模块682、接收信号采集与调制模块683，各超声波阵列信号激励与接收模块68结构中，第二充电电池模块65分别为激励信号生成与放大模块681、多路通断控制模块682、接收信号采集与调制模块683进行供电，多路通断控制模块682分别与激励信号生成与放大模块681、接收信号采集与调制模块683相连接，同时多路通断控制模块682与对应各空气耦合超声波传感器相连进行通信；MCU芯片52分别与各滑轨式超声波阵列传感器组6中的激励信号生成与放大模块681、接收信号采集与调制模块683相连。

基于上述关于超声波阵列信号激励与接收模块68的实际应用设计，进一步设计各滑轨式超声波阵列传感器组6中超声波阵列信号激励与接收模块68分别均还包括缓存模块684，各超声波阵列信号激励与接收模块68结构中，接收信号采集与调制模块683经对应缓存模块684与MCU芯片52相连通信。

基于各超声波阵列信号激励与接收模块68中对缓存模块684的引入，结合图2所示，MCU芯片52分别与各滑轨式超声波阵列传感器组6中激励信号生成与放大模块681、缓存模块684之间的相连，以及所述第一电源上对外供电端分别各滑轨式超声波阵列传感器组6中第二充电电池模块65之间相连，均采用触点方式相连，各超声波阵列信号激励与接收模块68结构中，移动盒69上面向其中一滑杆固定座61的表面上设置三个触点，且移动盒69上三个触点中的两个触点作为正负电源触点，分别对接第二充电电池模块65的正负极，且负极作为地线共用，其余一个触点与对接第二充电电池模块65负极的触点共同构成信号触点，由信号触点分别对接激励信号生成与放大模块681、缓存模块684，移动盒69上触点所面向滑杆固定座61的表面上设置位置相对应的三个触点，滑杆固定座61上三个触点中的两个触点作为正负电源触点，分别对接第一电源的对外供电端的正负极，且负极作为地线共用，其余一个触点与对接第一电源负极的触点共同构成信号触点，由信号触点分别对接MCU芯片52输出端、输入端，并且移动盒69上正负电源触点的位置与滑杆固定座61上正负电源触点的位置彼此对应，以及移动盒69上其余触点的位置与与滑杆固定座61上其余触点的位置相对应基于移动盒69沿对应固定滑杆62的滑动，实现移动盒69上各触点分别与对应滑杆固定座61上各位置相对应触点之间的接触。

进一步如图3所示，设计第一电源包括相互串联的光伏发电板3与第一充电电池模块4，第一充电电池模块4的输出端构成第一电源的对外供电端；并且设计加入终端1、以及与终端1相连的第一无线通讯模块2，所述核心控制模块5还包括与所述MCU芯片52相连通信的第二无线通讯模块51，基于第一无线通讯模块2与第二无线通讯模块51之间的通讯连接，实现终端1与MCU芯片52之间的通信连接。

将本发明所设计滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置，应用于实际当中，按如下操作，实现滑轨式超声波阵列传感器组6对混凝土构件7表面进行探伤操作。

首先基于MCU芯片52与滑轨式超声波阵列传感器组6中激励信号生成与放大模块681、接收信号采集与调制模块683的连接，由MCU芯片52将激励信号幅值、波形、频率、放大倍数、带通滤波频率发送至激励信号生成与放大模块681中，以及将接收信号采样频率发送至接收信号采集与调制模块683中。

然后基于MCU芯片52对滑轨式超声波阵列传感器组6中步进电机64的控制，实现其中移动盒69在对应固定滑杆62上由一端滑杆固定座61位置移向另一滑杆固定座61位置，且该移动区域覆盖混凝土构件7表面，同时控制移动盒69在此移动过程中的预设各位置分别停留预设时长，并且在该各位置的停留时长内，分别执行如下操作。

由多路通断控制模块682控制对应悬挂式超声波传感器阵列组67中一个空气耦合超声波传感器在激励信号生成与放大模块681的控制下，对混凝土构件7表面产生超声波，并由多路通断控制模块682控制该悬挂式超声波传感器阵列组67中其余各空气耦合超声波传感器接收超声波回波信号，并由接收信号采集与调制模块683对所接收超声波回波信号分别进行调制，如此执行各空气耦合超声波传感器分别对混凝土构件7表面产生超声波，并由其余各空气耦合超声波传感器接收超声波回波信号，当所有空气耦合超声波传感器分别完成一次超声波激励后，该位置超声波探伤操作完成。

并且在上述移动盒69的移动过程中，基于MCU芯片52与滑轨式超声波阵列传感器组6中接收信号采集与调制模块683的连接，实现各空气耦合超声波传感器在其各停留位置工作时所接收超声波回波信号向MCU芯片52的上传。

最后，MCU芯片52针对所接收来自各空气耦合超声波传感器在各位置下的超声波回波信号，上传至终端1，由终端1分别针对移动盒69对应混凝土构件7表面所停留的各位置，根据不同空气耦合超声波传感器在位置处激励时分别采集的超声波回波信号波形，依据合成孔径聚焦原理，形成该位置可以表征损伤大小与位置的断面超声波回波二维图像。

上述技术方案所设计滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置及监测方法，基于全新结构设计的装置进行应用，克服了传统手持式监测装置需要人工操控，不能现场永久布置缺点，以及有线监测设备布设受环境影响较大、线缆铺设与维护成本高昂、布线工作量大、特殊部位布线不便和现场取电困难等问题，相应本发明设计应用中，无需手动检测，适用于混凝土“建管养”全寿命周期检测，可以在混凝土结构核心构件表面永久部署，并且设备的激活/眠状态可通过终端以指令无线远程控制，数据可自动采集并远程传输，实时反馈回终端；不仅如此，其中以滑轨作为动力组件，使用PZT超声波传感器组成线性阵列，进行基于合成孔径聚焦技术原理的超声波信号采集和损伤成像，可以在最大限度不影响混凝土结构核心构件整体性的前提下，探测结构内孔洞与损伤，检测混凝土材料的材质、硬度、钢筋位置等特性；整体装置结构体积小、成本低、结构简单、操作简易，测量方法易于实施。

下面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置，用于在混凝土构件（7）表面滑动进行内部可视化探伤操作，其特征在于：包括第一电源、核心控制模块（5）、以及至少一个滑轨式超声波阵列传感器组（6）；其中，核心控制模块（5）包括MCU芯片（52）；

各滑轨式超声波阵列传感器组（6）的结构彼此相同，各滑轨式超声波阵列传感器组（6）分别均包括动力滑杆（63）、步进电机（64）、动力传输件、第二充电电池模块（65）、悬挂式超声波传感器阵列组（67）、超声波阵列信号激励与接收模块（68）、移动盒（69）、两个滑杆固定座（61）、以及至少一根固定滑杆（62），各滑轨式超声波阵列传感器组（6）的结构中：动力滑杆（63）的长度、各根固定滑杆（62）的长度彼此相等，动力滑杆（63）与各根固定滑杆（62）彼此相互平行的置于两个滑杆固定座（61）之间，且动力滑杆（63）的两端、以及各根固定滑杆（62）的两端分别与其所面向滑杆固定座（61）的表面相连接，移动盒（69）上其中一组彼此相对面上、设置贯穿该组相对面两侧的各个通孔，动力滑杆（63）数量和固定滑杆（62）数量的和与该通孔的数量相等，且移动盒（69）上该各个通孔之间的相对位置与动力滑杆（63）、各根固定滑杆（62）之间的相对位置相同，移动盒（69）上各通孔分别一一位置对应的套设于动力滑杆（63）和各根固定滑杆（62）上，且移动盒（69）上各通孔的内径分别与其所套设杆的外径相适应，以及移动盒（69）沿动力滑杆（63）、各根固定滑杆（62）进行滑动，第二充电电池模块（65）分别与步进电机（64）、超声波阵列信号激励与接收模块（68）相连进行供电，悬挂式超声波传感器阵列组（67）上包含至少三个空气耦合超声波传感器，悬挂式超声波传感器阵列组（67）经支架与移动盒（69）相连接，悬挂式超声波传感器阵列组（67）随移动盒（69）的滑动而移动，第二充电电池模块（65）、超声波阵列信号激励与接收模块（68）设置于移动盒（69）中，且超声波阵列信号激励与接收模块（68）与各空气耦合超声波传感器相连进行通信，动力传输件置于移动盒（69）中，且动力传输件与动力滑杆（63）上对应移动盒（69）中的部分相接触，步进电机（64）与动力传输件相连对其进行驱动，进而驱动移动盒（69）沿各根固定滑杆（62）进行滑动；

第一电源的对外供电端分别与MCU芯片（52）、以及各滑轨式超声波阵列传感器组（6）中的第二充电电池模块（65）相连进行供电，MCU芯片（52）分别与各滑轨式超声波阵列传感器组（6）中的步进电机（64）、超声波阵列信号激励与接收模块（68）相连，由MCU芯片（52）分别对各步进电机（64）进行控制，实现对各滑轨式超声波阵列传感器组（6）中悬挂式超声波传感器阵列组（67）沿对应固定滑杆（62）滑动的分别控制，且悬挂式超声波传感器阵列组（67）上各空气耦合超声波传感器的工作端与混凝土构件（7）表面之间的间距小于预设最大空气层厚度要求，以及悬挂式超声波传感器阵列组（67）的移动区域覆盖混凝土构件（7）表面；各滑轨式超声波阵列传感器组（6）中各空气耦合超声波传感器在MCU芯片（52）经对应超声波阵列信号激励与接收模块（68）的控制下进行工作，并由MCU芯片（52）经各超声波阵列信号激励与接收模块（68）接收来自对应各空气耦合超声波传感器的检测数据。

2.根据权利要求1所述一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置，其特征在于：所述动力滑杆（63）的两端分别与其所连滑杆固定座（61）相固定，动力滑杆（63）侧面一周设置外螺纹，所述动力传输件为两端敞开、且相互贯通的筒体件，筒体件的内径与动力滑杆（63）的外径相适应，筒体件内壁一周设置与动力滑杆（63）侧面外螺纹相匹配的内螺纹，筒体件外壁一周设置外齿纹，步进电机（64）与筒体件设置于移动盒（69）中，筒体件活动套设于动力滑杆（63）上对应移动盒（69）中的部分，且筒体件内壁一周内螺纹与动力滑杆（63）侧面一周外螺纹相咬合，步进电机（64）的转动端经齿轮与筒体件外周上的外齿纹相接触，且该齿轮外周上的齿纹与筒体件外周上的外齿纹彼此匹配咬合，步进电机（64）与移动盒（69）相固定，且步进电机（64）、筒体件、以及移动盒（69）三者彼此位置相对固定，基于步进电机（64）工作对其所连齿轮的驱动转动，通过筒体件相对动力滑杆（63）的转动，带动驱动移动盒（69）沿各根固定滑杆（62）进行滑动。

3.根据权利要求1所述一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置，其特征在于：所述动力滑杆（63）的两端分别与其所连滑杆固定座（61）相固定，动力滑杆（63）侧面其中一方向上延其所在直线方向布设齿纹，所述步进电机（64）固定设置于移动盒（69）中，步进电机（64）上的转动端连接齿轮，且该齿轮外周上的齿纹与动力滑杆（63）侧面上的齿纹相匹配，该齿轮外周上的齿纹与动力滑杆（63）上对应移动盒（69）中部分上的齿纹相咬合，基于步进电机（64）工作对其所连齿轮的驱动转动，通过齿轮上齿纹与动力滑杆（63）上齿纹的咬合，带动驱动移动盒（69）沿各根固定滑杆（62）进行滑动。

4.根据权利要求1所述一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置，其特征在于：所述动力滑杆（63）的两端分别与其所连滑杆固定座（61）相活动连接，动力滑杆（63）侧面一周设置外螺纹，所述动力传输件为两端敞开、且相互贯通的筒体件，筒体件的内径与动力滑杆（63）的外径相适应，筒体件内壁一周设置与动力滑杆（63）侧面外螺纹相匹配的内螺纹，筒体件固定设置于移动盒（69）中，且筒体件套设于动力滑杆（63）上对应移动盒（69）中的部分，以及筒体件内壁一周内螺纹与动力滑杆（63）侧面一周外螺纹相咬合，步进电机（64）设置于其中一滑杆固定座（61）上，且步进电机（64）的转动端固定连接动力滑杆（63）上对应该滑杆固定座（61）的端部，基于动力滑杆（63）在步进电机（64）的驱动转动，通过筒体件内螺纹与动力滑杆（63）外螺纹之间的相互咬合，带动驱动移动盒（69）沿各根固定滑杆（62）进行滑动。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置，其特征在于：所述各滑轨式超声波阵列传感器组（6）中的超声波阵列信号激励与接收模块（68）分别均包括激励信号生成与放大模块（681）、多路通断控制模块（682）、接收信号采集与调制模块（683），各超声波阵列信号激励与接收模块（68）结构中，第二充电电池模块（65）分别为激励信号生成与放大模块（681）、多路通断控制模块（682）、接收信号采集与调制模块（683）进行供电，多路通断控制模块（682）分别与激励信号生成与放大模块（681）、接收信号采集与调制模块（683）相连接，同时多路通断控制模块（682）与对应各空气耦合超声波传感器相连进行通信；MCU芯片（52）分别与各滑轨式超声波阵列传感器组（6）中的激励信号生成与放大模块（681）、接收信号采集与调制模块（683）相连。

6.根据权利要求5所述一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置，其特征在于：所述各滑轨式超声波阵列传感器组（6）中超声波阵列信号激励与接收模块（68）分别均还包括缓存模块（684），各超声波阵列信号激励与接收模块（68）结构中，接收信号采集与调制模块（683）经对应缓存模块（684）与MCU芯片（52）相连通信；

MCU芯片（52）分别与各滑轨式超声波阵列传感器组（6）中激励信号生成与放大模块（681）、缓存模块（684）之间的相连，以及所述第一电源上对外供电端分别各滑轨式超声波阵列传感器组（6）中第二充电电池模块（65）之间相连，均采用触点方式相连，各超声波阵列信号激励与接收模块（68）结构中，移动盒（69）上面向其中一滑杆固定座（61）的表面上设置三个触点，且移动盒（69）上三个触点中的两个触点作为正负电源触点，分别对接第二充电电池模块（65）的正负极，且负极作为地线共用，其余一个触点与对接第二充电电池模块（65）负极的触点共同构成信号触点，由信号触点分别对接激励信号生成与放大模块（681）、缓存模块（684），移动盒（69）上触点所面向滑杆固定座（61）的表面上设置位置相对应的三个触点，滑杆固定座（61）上三个触点中的两个触点作为正负电源触点，分别对接第一电源的对外供电端的正负极，且负极作为地线共用，其余一个触点与对接第一电源负极的触点共同构成信号触点，由信号触点分别对接MCU芯片（52）输出端、输入端，并且移动盒（69）上正负电源触点的位置与滑杆固定座（61）上正负电源触点的位置彼此对应，以及移动盒（69）上其余触点的位置与与滑杆固定座（61）上其余触点的位置相对应基于移动盒（69）沿对应固定滑杆（62）的滑动，实现移动盒（69）上各触点分别与对应滑杆固定座（61）上各位置相对应触点之间的接触。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置，其特征在于：所述第一电源包括相互串联的光伏发电板（3）与第一充电电池模块（4），第一充电电池模块（4）的输出端构成第一电源的对外供电端。

8.根据权利要求1至4中任意一项所述一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置，其特征在于：还包括终端（1）、以及与终端（1）相连的第一无线通讯模块（2），所述核心控制模块（5）还包括与所述MCU芯片（52）相连通信的第二无线通讯模块（51），基于第一无线通讯模块（2）与第二无线通讯模块（51）之间的通讯连接，实现终端（1）与MCU芯片（52）之间的通信连接。

9.一种基于权利要求1至8中任意一项所述一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置的监测方法，其特征在于，按如下操作，实现滑轨式超声波阵列传感器组（6）对混凝土构件（7）表面进行探伤操作；

首先基于MCU芯片（52）与滑轨式超声波阵列传感器组（6）中激励信号生成与放大模块（681）、接收信号采集与调制模块（683）的连接，由MCU芯片（52）将激励信号幅值、波形、频率、放大倍数、带通滤波频率发送至激励信号生成与放大模块（681）中，以及将接收信号采样频率发送至接收信号采集与调制模块（683）中；

然后基于MCU芯片（52）对滑轨式超声波阵列传感器组（6）中步进电机（64）的控制，实现其中移动盒（69）在对应固定滑杆（62）上由一端滑杆固定座（61）位置移向另一滑杆固定座（61）位置，且该移动区域覆盖混凝土构件（7）表面，同时控制移动盒（69）在此移动过程中的预设各位置分别停留预设时长，并且在该各位置的停留时长内，分别执行如下操作：

由多路通断控制模块（682）控制对应悬挂式超声波传感器阵列组（67）中一个空气耦合超声波传感器在激励信号生成与放大模块（681）的控制下，对混凝土构件（7）表面产生超声波，并由多路通断控制模块（682）控制该悬挂式超声波传感器阵列组（67）中其余各空气耦合超声波传感器接收超声波回波信号，并由接收信号采集与调制模块（683）对所接收超声波回波信号分别进行调制，如此执行各空气耦合超声波传感器分别对混凝土构件（7）表面产生超声波，并由其余各空气耦合超声波传感器接收超声波回波信号，当所有空气耦合超声波传感器分别完成一次超声波激励后，该位置超声波探伤操作完成；

上述移动盒（69）的移动过程中，基于MCU芯片（52）与滑轨式超声波阵列传感器组（6）中接收信号采集与调制模块（683）的连接，实现各空气耦合超声波传感器在其各停留位置工作时所接收超声波回波信号向MCU芯片（52）的上传。

10.根据权利要求9所述一种滑轨式混凝土构件无线超声波阵列传感装置的监测方法，其特征在于：所述MCU芯片（52）针对所接收来自各空气耦合超声波传感器在各位置下的超声波回波信号，上传至终端（1），由终端（1）分别针对移动盒（69）对应混凝土构件（7）表面所停留的各位置，根据不同空气耦合超声波传感器在位置处激励时分别采集的超声波回波信号波形，依据合成孔径聚焦原理，形成该位置可以表征损伤大小与位置的断面超声波回波二维图像。

Images